Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья Советский патент 1988 года по МПК C13K1/02 

В рыхлом виде сырье засыпается н камеру 2 предварительного нагрева реактора 1, где производится его нагрев до 100°С. После этого материал направляется в реактор 1. На первой стадии гидролиза сырья в реакторе 1 при 175 С и давлении 0,9 МПа в течение 40 с ребразуется до 4% целлюлозы. На второй стадии при 225°С и давлении 2,6 МПа за время 4,5 с степень превращения целлюлозы повышается от 4 до 30% и, наконец, на третьей стадии при 260°С и давлении 4,8 МПа при времени пребьгеания 1,3 с степень превращения повышается с 30 до 80%. После третьей стадии гидролиза в реакторе быстро снижают температуру и давление путем расширения пара. Понижение температуры и давления в реакционном объеме реактора 1 осу- ще ствляют также в три стадии соответственно до 225 С и 2,6 МПа, до 175 С и 0,9 МПа и до 100°С и 0,1 МПа в течение 2,5 - 5 с. Одновременно со всех стадий отбирают пар, сохраняют его и используют на стадиях гидролиза, а пар, отбираемый с последней стадии понижения температуры и давления, используют на стадии нагрева измельченной массы сырья. Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья обеспечивает возможность повышения выхода и качества получаемого сахара. 5 ил.

Изобретение относится к гидролизной промышленности и может быть использовано для проведения процессов гидролитического разложения различных видов целлюлозосодержащего сырья. Цель изобретения - повышение выхода и качества получаемого сахара. Сырье, предназначенное для гидролизной обработки, измельчается, пропитывается разбавленной серной кислотой или другим раствором кислоты с концентрацией 0,5 - 10%, затем обезвоживается механическим путем до влажности 10 - 80% и вновь измельчается. /V i СО С 4 СО со см

1

Изобретение относится к гидролизной промышленности и может быть использовано для проведения процессов гидролитического разложения различных видов целлюлозосодержащего сырья.

Цель изобретения - повышение выхода и качества получаемого сахара.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для осуществления способа гидролитического разложения целлюлозо содержащего сьфья; на фиг. 2 - диаграмма режимов отдельных ступеней реакции; на фиг. 3 - экспериментальные зависимости селективности, степени преобразования целлюлозы и выхода сахара от времени реакции; на фиг.4 - график зависимости селективности к сахару от степени преобразования целлюлозы; на фиг. 5 - зависимость удельного паропотребления от числа гидро- лизных ступеней или паросборников.

Устройство для гидролитического . разложения целлюлозосодержащего сырья содержит вогнутый реакционный сосуд 1 выполненный в виде реактора высокого давления. На внутренних стенках сосуда 1 имеется кислотоупорное теплопроводное вещество, например керамика. В сосуде 1 также предусмотрена теплоизоляция (не изображена). Над реакци- онным сосудом размещена камера 2 предварительного нагрева. Камера 2 соединена с ррлктором 1 при помощи впуск

5

0

30 5

ного отверстия 3. Отверстие 3 может закрываться замыкающей частью перемещающегося клапана 4 (на фиг.1 в позиции открыто она показана пунктиром). Замыкающая часть клапана 4 со штоком 5 и гидравлическим или пневматическим исполнительным механизмом 6 образуют входной клапан 7. Вокруг щтока 5 предусмотрены очищающие устройства 8 для очистки его от остатков прилипшего обрабатываемого материала, которые приводятся в действие гидравлическим или пневматическим приводным устройством 9.

В нижней части реакционного сосуда 1 имеется выходное отверстие 10, которое закрывается замыкающей частью клапана 11, (в положении открыто на фиг.1 показана пунктиром). Замыкающая часть 11 штоком 12 управления связана с гидравлическим или пневмати- ческ1ш исполнительным устройством 13. Д1ток 12 управления проходит через канал 14 для выгрузки продукта, присоединенный к выходному отверстию 10. Замыкающая часть 11, щток 12 управления и исполнительный механизм 13 вместе образуют выходной клапан 14.

В камере 2 предварительного нагрева сбоку имеется загрузочное отверстие 15, к которому примыкает горизонтальный канал 16 с толкателем 17, движущимся в горизонтальном направлении.

В канал 16 врезается сверху воронкообразная нижняя часть 18 загрузочного бункера 19 для материала.

В реакционном сосуде 1 ниже замыкающей части 4 входного клапана 7 расположен кольцевой сопловой канал 20 с большим количеством нагнетательных паровых сопел 21. Кольцевой сопловой канал 20 соединен с выходным п ровым отверстием 22 и выпускным паропроводом 23. От выпускного паропровода 23 идет трубопровод 24 через запорное устройство 25 к камере 2 предварительного нагрева, в то время как с другой стороны вьтускной паропровод 23 соединен с паросборниками 26 и 27 Паросборникам 26 и 27 принадлежат запорные устройства 28 и 29.

Второй кольцевой сопловой канал 30 находится в реакционном сосуде 1 выше замыкающей части 11 выходного клапана 14 и связан с входным отверстием .31 для пара и подающим паропроводом 32. Подающий паропровод 32 с од- ной стороны через запорное устройство 33, 34 или 35 соединен с источником свежего пагч, не показанным на фиг.1, а с другой стороны - с паросборниками 26 и 27.

Устройство работает следующим образом.

Загрузочный бункер 19 заполняется уже пропитанным обезвоженным и размельченным материалом, содержащим целлюлозу. Воронкообразная нижняя часть 18 и канал 16 действуют вместе как дозированная ванна, которая справа ограничивается толкателем 17, показанным на фиг. 1 в исходной позиции. При продольном движении толкателя 17 материал подается в камеру 2 предварительного нагрева, при этом входной клапан 7 закрыт. В конечном положении толкатель 17 запирает загрузочное отверстие 15. К плотности этого узла не предъявляются никакие особые требования .

Теперь в камеру 2 предварительного нагрева при открытии запорного устройства 25 по трубопроводу 24 поступает пар из последней ступени расщире- ния. Тепло конденсации отходящего пара передается материалу, который нагревается до 100 С. После этого открывает4

5

ся входной клапан 7 и материал из камеры 2 предварительного нагрева в рыхлом виде попадает в реакционный сосуд 1 при закрытом выходном клапане 14.

5

449013

а-юigд .

0 on е 25

,

45

50

5

Благодаря работе очистительного устройства 8 удаляются остатки материала. При запирании входного клапана 7 уп- лотнительная поверхность может очищаться струей пара. Очистительные приспособления 8 и толкатель 17 таким образом возвращаются в исходное положение и после этого готовы к повторению процесса загрузки.

В реакционном сосуде начинается ступенчатый процесс гидролитического разложения целлюлозосодержащего сьфья. В процессе гидролиза сырья пар из паросборников 26 и 27 подводится в одну ступень за другой через подающий трубопровод 32, а свежий пар через открытое запорное устройство 33. Поступающий пар проходит через кольцевой сопловой канал 30 для того, чтобы материал, подвергаемый гидролизу,, находился в псевдоожиженном слое.

После прохоящения ступеней реактора при ступенчатом расширении пар отводится через верхний кольцевой сопловой канал 20 и трубопровод 23 в паросборники 26 и 27. Отработавший пар из последней ступени расширения через запорное устройство 25 подводится в камеру 2 предварительного нагрева. Следовательно, устройство опять готово к проведению нового цикла в ква- о зинепрерывном режиме.

Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья осуществляется на данном устройстве сле.г дующим образом.

Материал, предназначенный для гидролизной обработки, например старая бумага, деревянные отбросы, солома и т.п., сначала измельчается, потом пропитывается разбавленной серной кислотой или другим пригодным раствором кислоты с концентрацией от 0,5 до 10%, затем механическим путем обезвоживается до влажности от 10 до 80% и далее измельчается вновь и в рыхлом виде засыпается в камеру 2 предварительного нагрева реактора 1. Здесь производится нагрев поступающего материала до 100°С при помощи отработавшего пара, прошедшего реакционные ступени, при его конденсации. После этого материал направляется в реактор 1.

На первой стадии I гидролиза сырья в реакторе 1 при 175°С и давлении 0,9 МПа, в течение 40 с преобразуется до 4% целлюлозы. На следующей

втсфой :тл;т,и (I rrni i НИИ 2,6 Milii :5a ; , . .: : .. ill: превра1иения псллт.п м iifiMin- я С Т

4 до 30% и, ИПКС Г| Ч1, и-} : i,;;;; i; 1дин III J ПГЛК- -ОР при ,: : .

НИИ (в М11я ПРИ ГЧ : - -;ii TD. iiii . 1,3 с стнис , прг и:), MI M;i-4i; : - тс

с Зи до 01)/-, ЧтиОМ 1-11Г 1ПеП;1 | . мГ;ч- дал Ы-ЮПТЧГ рг М-тмят , г. ;) . Л

привести Ч М- . п .р, -- . СЯ сахлра. р-/П ; -, г::,;:. ют давпелн; п т,..ц; р ; . : после трс : 1 р : I T. MI .i ifrii i-;i

путем . i . .

Пониже;.: /ри ; -xni;-;

в реакцио) . е Г сакто ; ществлякп - -ii .;: н . : -г ветствочип . /i ; : , ii - - 175°С и О,-; м;ь. ;. .- ; - . - i-iM в течёт . : г , , ;., / . : но ест . , - :i ; . -;. .

ХраН}ПОТ i- ; i i: ч: th -, i:

ГИДР ЗЛИ-3/1 11, . , i.i;. , :

СЛеднеЙ Гтм;1,;1П ; i i PK(, с ч ; Ч .. : . i ;i V . и давления 5 м us -.; i - iH ; нагрева и .. - Lv- r пг ; i. с .

В ре чу.гП: Ч: fi . ivt ;: .;: -

новлено. . г-м i . :,; . .

процесс,-: 11; ;-; : Г НИЯ боле.- . :. :

разном norii р /г ИГ . -:;,: -т, /.: ; , :-. .-Ki -ч г- -; .-- - - изменяе геи .1 1 , ; И .

Благо; ..- i f i .. fi:.. ;i ni. . ;.. iio.ri.. пара такп-ч о-п г -. /

выходом и 1. Г- Я . I :Ч5 МЯ |П.; ;; . II :

треблениг ..-iicift ro ::;ят -., lii),. . . . . ,- napotioiT i: : i:.,,г С: ;-: :.;.. ; i .

в КаЖДО 1 C.yilf M: .;:Пч 1 тра ; 1;. - 1п боДНОМ НЫборО ,ия СТу :С.И.-.п ( ;i ДГ.-1Ином слума -- с 1 . П( :и) ттрппе-: птн. Т Кает СЛСД5 о;,П ..1 ,,.-М:. .

Расход .1.. , :i -: .. ..- iM:i .- :i.-- грева i; г . риал пр;-:;,; до сос 7 ; 1

СЫР1)Я в -(

давле. и

вен лп;т1п:.:после ря . мм ToHViHH : . ре актора )

из пар tV- .СН

регрет1:1й с Р.

ЧеННЬП р./ . у ill-. 1 Г.

перех )Л1 ; . :, b , в к ;i;jr. 411

ДЛЯ И-.:М1-Т. : . ур | ;;уи;ч 1Г1нр.,|

Ч rO/IHiif: i) . i

СН г:; : :;.

. j - . . ); : 11гз-.;)

; ,|| :.a.;i ii-ip, , необходимый для на- ; 1 v:,i МЛ jpii.TTa при переходе из сос- ;г1ин;1я b р состсжние с и для дости- i t iiiri дявпсния в peiaKTope РЗ , равен -:( . пара, которое освобожда- пос. И расширения при переходе 14 С .-г. тояиня d в состояние с. Таким . .1 .м , яторой паросборник, может .. гт.он,пят7, перегретый пар с парамет- ,.M i |. J ; ;- лу if-нный гюспе расширения ; 11 i jMen; HiiH состояния d на состоя- , к кгишчестве, не :10 ;1димом для

n,.i из со. тояния b г- состояние d

I,:), необходимый для перехода от

..иг,.,г с к d и для повышения давле- ;г.1 ; i,o г (. S ;тг,.пжен поступать от паро-. ; гора, Fro давление должно быть biicoi-nif,, нямрпмрр 10 МПа, чтобы время .;iyvjrsa (1T ур..1вня с до уровня d было f :ч..т1,им по сравнению с продолжи. Л1,1;;Ч - 1 .10 POainiHH.

По.),, вихоцящг.й с последней расши- г. г :: льн ,)й : 7 a:Uin после изменения

.; гт.,чния уро1зня Ъ до уровня а ис- ;;м 1 ,.уется Т Kahicpe 2 предваритель- -oi is чагрева для нагрева материала, ганного кислотой. После после- ,i. li i I f-:.nbiu. r(3 нагрева может начинатьп 1 ,г.1й rioaH iii реакционный процесс.

ils фиг, 1,лсдует, что удельный р..:.д пара dj, требуемый на послед i -: . гаяи и нагрева, при увеличении ;ч1 ,;ia и.ял паросборников и при ;,-i.. v:tjHnii Bna; KH..jcTH вводимого для об-

p b i I lAH, ijpcjiinганного целлюлозосодер- ftaiic ro материала, снижается.

Как следует из фиг.З, зависимость иыхоца сбраживаемого сахара а, т.е. K04 i4t:;CTBa сахара, получаемого из об- р,чб,-ятываемой целлюлозы, от времени реакпии имеет максимум, который с по ;1:-|.чием ч-емпературы становится выше и на период более корот- ;;..- ripeMc-iiii реагирования. На фиг.З луи7 грех ч емпературных областей по- . -заны три гоответствуюгдие максимумы

. Степень превращения целлюлозы .1:;; (: ч;1ется по экспоненте от 0% при . ii т вом вр.ц.1ен.и пребывания до 100% ;.: ; длител1 ыом периоде пребывания ( t ;i;c. см „ fjHr,,3). Дополнительное v upi.Деление селективности S к сбражи- ,.1Г .;г,м:у сау.чру, т.е. количество саха- j; i .гиосищееся к количеству обраба- v,a,-f.;oH це:1Л}олозы, привело к постро

(пчи зависимости;, представленной на J, Hi которой следует, что при i i :. ipiii пулевом значении степени

14

превращения селективность около 100%

и что далее по мере увеличения степени превращения она быстро падает.

При при степени превращения т селективность, составляет 95% и при 260 С - 90% и ее уменьшение с увеличением степени превращения происходит медленнее. Эти явления можно объяснить существованием конкурирующих реакций при noBbmjeHHbix температурах.

На этих экспериментальных выводах базируется основная идея изобретения, которая заключается в том, что максимальный выход сахара может быть полу- чен при тактовом изменении температурного режима. На основе опытных данных, представленных на фиг.З, можно сделать вывод о предпочтительном стадийном осуществлении способа как это показано на фиг. 2. Способ гидролитического разложения целлюло- зосодержащего сырья обеспечивает возможность повышения выхода и качества получаемого сахара.

Формула изобретения

Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья, предусматривающий кислотную обработку измельченной массы сырья 0,5-10%-ным

138 ,

раствором кислоты, обезвоживание ее и последующий гидролиз водяным паром в несколько стадий с повышением давления и температуры в реакционном- объеме на каждой стадии, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода и качества получаемого сахара, измельченную массу сьфь обезвоживают на 10-80%, после обезвоживания нагревают до 100°С, число стадий гидролиза прнимают равным трем, а повышение температуры и давления на каждой стадии осуществляют соответственно до 75°С давления 0,9 МПа в течение 40 с, до 225 С, давления 2,6 МПа в течение 4,5 с, до 260 С, давления 4,8 МПа в течение 1,3 с, при этом после третьей стадии гидролиза осуществ/1яют трехстадийное понижение температуры и давления в реакционном объеме соответственно до 225°С и 26 МПа, до и до 100°С и 0,1 МПа в течение от 2,5 до 5 с, с одновременным отбором пара со всех стадий, сохранением его и использованием на стадиях гидролиза, а пара, отбираемого на последней стадии понижения температуры и давления - на стадии нагрева измельченной массы сырья.

Состояние

ЛаВление Sap

.% 7,260

1Q го 30 050 ТОО ZOO 300 5ОО

pea/(t4ifu, t, с Фиг.З

Степени euffpo usa.

I Ж

юо7о

07с

50%iOO%

4e/i/tfo/to3t /, %

Фие.

0 1 Z sr ff Ko U ecfTj пароакуму/ аторо

+

i 2 5 Ч 5 6 1 Ko/iui/ec/пво ступеней еадро и а

Фие.

Неэкономично Эконони1 ю

Hufa/ibf affdo/fff бодь1б ffpofff/f me